紫外线(英语:Ultraviolet,简称为UV),为波长在10nm至400nm之间的电磁波,波长比可见光短,但比X射线长。太阳光中含有部分的紫外线,电弧、水银燈、黑光燈也会发出紫外线。虽然紫外线不属于游离辐射但紫外线仍会引发化学反应与使一些物质发出螢光。
而小于200纳米的紫外线辐射会被空气强烈的吸收,因此称之为真空紫外线[1]。
名称的来源
名称的意义是“超越紫色”,而紫色是可见光中的颜色中波长最短的。紫外光的波长比紫色光更短。
紫外线的分类
日常生活中的分类
- 紫外线A(UVA):波长较长,波长介于320~400奈米,可穿透云层、玻璃进入室内及车内,可穿透至皮膚真皮层,会造成曬黑。UVA可再細分为UVA-2(320~340nm)与UVA-1(340~400nm)。
- UVA-1穿透力最强,可达真皮层使皮膚曬黑,对皮膚的伤害性最大,但也是对它最容易忽视的,特别在非夏季时UVA-1强度虽然较弱,但仍然存在,会因为长时间累积的量,会造成皮膚伤害。
- UVA-2则与UVB同样可到达皮膚表皮,它会引起皮膚曬伤、变红发痛、日光性角化症、失去透明感。
- 紫外线B(UVB):波长居中,波长介于280~320奈米,会被臭氧层所吸收,会引起曬伤及皮膚红、腫、热及痛,严重者还会起水泡或脫皮(类似燒燙伤症狀),但又由于可被臭氧层阻隔,故只有少量会到达地球表面。
- 紫外线C(UVC):波长介于100~280奈米,但由于200奈米以下的波长为真空紫外线,故可被空气吸收,因此紫外线C(UVC)可穿越大气层的波长介于200~280奈米,其波长越短、越危险,不过由于臭氧层可以完全阻隔UVC,所以地球上所有生物不会被UVC伤害。
每一个人对紫外线的容忍度不同,视日照累积量到某一极限,就会造成伤害。而暴露于工业设备产生的UV-C或高强度UV-B及UV-A同样会造成眼睛表层组织的伤害。
科学上的分类
按照ISO-DIS-21348[2],紫外辐射分类如下:
名称 | 缩写 | 波长范围,单位纳米(nm) | 能量单位(电子伏特,eV) |
---|---|---|---|
长波紫外光、紫外光A或黑光 | UVA | 400 nm–315 nm | 3.10–3.94 eV |
近紫外线 | NUV | 400 nm–300 nm | 3.10–4.13 eV |
中波紫外光、紫外光B | UVB | 315 nm–280 nm | 3.94–4.43 eV |
中紫外线 | MUV | 300 nm–200 nm | 4.13–6.20 eV |
短波紫外光、紫外光C、杀菌紫外辐射 | UVC | 280 nm–100 nm | 4.43–12.4 eV |
远紫外线 | FUV | 200 nm–122 nm | 6.20–10.2 eV |
真空紫外线 | VUV | 200 nm–10 nm | 6.20–124 eV |
低能紫外线 | LUV | 100 nm–88 nm | 12.4–14.1 eV |
高能紫外线 | SUV | 150 nm–10 nm | 8.28–124 eV |
极紫外线 | EUV | 121 nm–10 nm | 10.2–124 eV |
在光雕和雷射技术中,所称的深紫外线是指波长短于300奈米的紫外线;极紫外线座落在分离的13.5奈米范围的光谱(在未来计划也有6.X奈米),只佔有约频宽的2%。在解析学和生命科学的领域,以“XUV”的缩写代表极紫外线的光谱范围特性,以与紫外区(EUV)有所区别。XUV分隔了X射线和真空紫外线(VUV),以内层电子被光电电离的事实-数量级-主导了光子-物质交互作用的效应。这是相对于X射线,真空紫外线的散射主要是与原子和分子的外层电子交互作用导致的(化学活动)。
所以被称为“真空紫外线”(VUV)是因为会被空气强烈的吸收,因此只能用在真空环境下。在这个范围的长波上限,大约在150-200奈米,主要的吸收气体就是空气中的氧。因此可以在无氧的环境中,使用这种波长来工作,纯氮是最常用的,以避免需要真空室。
大小相当的物件清单,请参閱1 E-7 m。
紫外线的来源
天然来源的紫外线
太阳辐射出的紫外线包括UVA、UVB、和UVC频带。地球的臭氧层阻绝了97-99%穿透大气层的紫外线辐射[3]。到达地球表面的紫外线98.7%是UVA[来源请求](UVC和更高能的辐射会促成臭氧的生成,并且形成臭氧层)。更热的恒星会辐射出比太阳多的紫外线;恒星R136a1的热能是4.57 eV,落在近紫外线的范围。
一般玻璃对紫外线的穿透率主要取決于矽的品质,普通的窗玻璃对340奈米以上波长(UVA)的穿透率大约是90%,但对低于340奈米的波长(UVB),则有90%会被阻擋掉。[4][5][6]。
真空紫外线的波长始于200奈米,在真空中当然可以传递通过-因此得到这样的名称-但在空气中会被氧分子吸收,因而是无法穿透的。纯氮(比氧低约10ppm)在150-200奈米的波段上是可以穿透的,这对半导体的制程是非常有意义的,因为在过程中一直使用短于200奈米的波长。在无氧的环境下工作的人员与设备都无须承受在真空中工作所产生的压力差。其他在这个光谱范围工作的科学仪器,像是圆偏光二色性光谱仪,通常也用氮来清洁。
极紫外线的特性被用于物理学上转换物质的交互作用:比30奈米长的波长主要在化学上与物质的价电子交互作用,更短的波长与内壳层的电子和原子核进行交互作用。EUV/XUV光谱长波末端被设定为30.4奈米的显著He+谱线。绝大部分已知的物质对XUV都会强烈的吸收,但它也可以制成多层光学,对垂直入射的XUV辐射可以反射约50%。这种技术最早是在1990年代运用在NIXT和MSSTA探空火箭,被用来制作产生太阳影像的望远镜(目前的例子有SOHO/EIT和TRACE),及奈米微影技术的设备(印制在非常小尺度的微晶片上的痕迹和裝置)。
黑光
一盞黑光燈、伍德燈、或紫外燈是发射出长波的紫外线而很少可见光的燈。黑色螢光燈通常也是相同的形式,普通的黑光燈只使用一种螢光,并且原本透明玻璃的封套会以称为伍德玻璃的深蓝色或紫色玻璃取代,这种有鎳-氧填充料的玻璃几乎会阻擋所有波长在400奈米以上的可见光。有这种颜色的燈管业界通常称之为“黑光蓝”(BLB),以与其它沒有蓝色伍德玻璃的“捕蚊”黑光燈泡(BL)有所区别。通常排放波长峰值接近在368至371奈米的螢光有銪-鍶摻杂的氟硼酸鹽(SrB4O7F:Eu2+)或銪-鍶摻杂的硼酸鹽(SrB4O7:Eu2+),当螢光的峰值在350至350奈米,则是摻有含鉛的矽酸鋇(BaSi2O5:Pb+)。黑光蓝燈的峰值在365奈米。
可是“黑光”只产生范围在UVA的长波紫外线。不像UVB和UVC,他们会直接对DNA造成伤害,导致皮膚癌;黑光侷限于低能量,较长的波长不会造成曬斑,但是还是会破坏膠原纖维和皮膚中的维生素A和D[来源请求]。
黑光也可能是无效的,只是简单的将白熾燈透明的的燈罩换成伍德玻璃。这是制造第一个黑光光源的方法,虽然比螢光的光源便宜,但只有0.1%的输入功率转换成有用的辐射,这是因为白熾燈的黑体只排放出很少的紫外线辐射。用白熾燈来产生足量的紫外线,会因为其低下的效率,而引发高热的危险。使用伍德玻璃的大功率(数百瓦特)水银蒸气黑光燈被用来产生紫外线辐射的螢光,主要是使用在剧院及音乐厅。它们在正常的使用过程中也会变得很热。
有些专门用来吸引昆虫的特殊紫外线螢光管也使用如同一般的黑光相同的近紫外线螢光,但是使用普通的玻璃而不是更昂贵的伍德玻璃。普通玻璃只会阻擋少量的水银频谱中可见光,因此以肉眼看起来是淡蓝色的。这种燈在大多数的燈具型录中被称为“黑光燈”(BL)。
紫外线也可以由发光二极体和雷射二极体产生。290nm的紫外线在到达地面之前就会被大气中的臭氧吸收。
紫外线螢光燈
沒有磷光涂料的螢光燈不能将紫外线转换成可见光,燈泡内的汞发射出的紫外线有253.7奈米和185奈米两个峰值。这种燈泡发射的紫外线有85到90%在253.7奈米,虽然只有5到10%是在185奈米,杀菌燈仍然使用添加石英的玻璃来阻隔185奈米波长的紫外线。加上适当的磷光涂料,可以修改产生UVA、UVB、或可见光谱(所有的住宅和商业照明用的螢光管都是以汞为核心发射紫外线)。
这种低压汞燈广泛的用于消毒,并且标準的型式在摄氏30度左右是最佳的工作温度。使用汞合金(混合物)可以让工作温度上升至100℃,并且每单位光弧长的UVC发射可以加倍或3倍。这种低压燈的有效功率大约为30至35%,意味著每100瓦的燈泡电力消耗中,它会产生总产量大约30-35瓦的紫外线的典型效率。
发光二极体紫外线燈
虽然许多实用的发光二极体阵列波长限制在365奈米,但发光二极体仍然可以用来制造发射紫外线。发光二极体在365奈米的效率大约只有5-8%,在395奈米接近20%,而在较长波长的紫外线上有较好的效率。这些发光二极体阵列开始被应用在医疗上,并且已经成功的应用在数位列印上和无害的融入紫外线医疗环境。功率密度接近3,000 mW/cm2(30 kW/m2)的紫外发光二极管在现在是可能的,加上最近光敏引发剂(photoinitiator)和树脂的发展,使得发光二极体医疗紫外线材料的扩展成为可能。
紫外线雷射
紫外线雷射二极体和紫外线固态雷射也可以制造产生紫外线的辐射,波长可以包括262、266、349、351、355、和375奈米。紫外线雷射已经应用在工业(雷射雕刻)、医学(皮膚病和角膜切除术)、秘密通讯、和电脑(光学储存)。它们可以通过应用频率转换至较低频率的雷射,或是从Ce:LiSAF晶体(鈰摻杂氟化鋰鍶鋁),劳伦斯利弗莫尔国家实验室在90年代开发的制程[7]。
气体放电燈泡
无论有无窗口或使用不同窗口的鎂氟,氬和氘燈经常被作为稳定的来源[8]。
检定和测量紫外线辐射
紫外线的检测与测量技术随着部分光谱的多样性而改变。一些矽探测器在光谱中被广泛的应用,事实上美国NIST的一些特性是简单的矽二极体[9],他们也可以在可见光工作,许多不同的应用程式可以使用在不同的专业。许多寻求趋近适应可见光的技术,但这些可能会受到可见光的影响,从可见光遭受到不需要的感应和多变的不稳定性。一种可变的固态和真空设备已经使用在不同范围的紫外线频谱中进行研究。紫外线可以使用适合的光电二极体和光电阴极检测,而可以对不同部分的紫外线敏感与简洁的测定。敏感的紫外线光电倍增管是有用的。
近紫外线
在200-400奈米之间,存在著各种不同的探测器选择。
真空紫外线
几十年来在太阳物理和近年来光刻在半导体上的应用,使真空紫外线仪器的技术有很大幅度的进展。虽然光学技术可以删除多餘可见光对真空紫外线的汙染,一般情況下,探测器可以限制对非紫外线辐射的感应,并且“太阳盲”设备的发展一直是研究的重要领域。相较之下,宽间隙固态设备或具有高防滲光电阴极真空设备比矽二极体更引人注目。最近,以鑽石为基础的设备发展出了LYRA(参閱Marchywka Effect)。
紫外线辐射对人类健康的效应
紫外线辐射对健康的影响牵涉到曬太阳的好处和风险的权重,并且也牵连到像是螢光燈和健康的争议。
有益的效果
维生素D
中波紫外线的照射可以誘导皮膚在15分钟内生成1,000国际单位的维生素D。这种维生素对健康有积极的正面影响。它能控制鈣的新陈代谢(这是维持生命正常运作的中樞神经,以及骨骼生长和骨密度)、免疫、細胞增殖、胰岛素分泌,和血压[10]。
美容
中波紫外线(UVB)太少会导致维生素D的缺乏,太多则可能会导致皮膚癌与DNA直接受损。接近中波紫外线的极限值(因人类的膚色而异)就会导致DNA直接受损。人体会认清这种伤害并进行修补,然后会增加黑色素的产生,导致长久性的曬斑。这些曬斑会在照射之后延遲约两天才出现,但它们的伤害比另一种长波紫外线(UVA2)更久[来源请求]
医学应用
紫外线辐射在医学上还有其他的应用,如治疗皮膚的牛皮癬(银屑病)和白斑(白癜风)情況。长波紫外线辐射曾经大量使用在银屑病以使骨脂结合(PUVA处理),但是现在已经很少用了,因为这种处理使皮膚癌的患者急遽增加,并且中波紫外线辐射有更好的治疗效果。对银屑病和白癜风,以波长311nm的紫外线疗效最佳[11][12]。
有害的效应
过度暴露于紫外线辐射可能会导致曬伤和某些形式的皮膚癌,不过最致命形式的恶性黑色素瘤大多由间接DNA损伤引起(自由基和氧化压力),这可由92%的黑色素瘤都有紫外线特性的基因突变得知[13]。对人类,长期暴露在紫外线辐射下可能会对皮膚、眼睛、免疫系统等导致急性和慢性的健康影响[14]。此外,紫外C可以导致不同程度的突变或致癌的不利影响[15]。
UVC是能量最高,最危险的紫外线。因为在穿越大气层时UVC会被过濾掉,因此过去很少受到关注。不过,当它们在杀菌设备中使用,像是对于池塘的杀菌,如果杀菌燈与其他的裝置连接,不是封闭的池塘杀菌裝置,就会造成暴露的风险。
在2011年4月13日,世界卫生组织研究癌症的国际组织将所有类别的紫外线辐射归类为1级致癌物质。这是被认定的最高等级致癌物质,意味著“沒有足够的证据来排除它使人类致癌的可能性症”。
皮膚
致癌风险
“ | 目前,在阳光中的紫外线(UV)照射是环境中的人类致癌物质。来自自然的阳光和医疗人造紫外线的毒性是人类健康的主要问题。紫外线辐射对人类正常的皮膚造成的伤害主要是曬伤症狀的红斑、曬黑、和局部或全身的免疫抑制。 | ” |
——Matsumura and Ananthaswamy ,(2004)[16] |
UVA、UVB和UVC都会损害膠原蛋白。UVA和UVB两者还会破坏皮膚的维生素A[17]。在过去,UVA被认为是伤害较小的,但今天,众所周知它有助于皮膚癌间接DNA损伤(通过自由基和活性氧)。它能深入皮膚,但不会造成曬伤。UVA不会像UVB和UVC直接伤害DNA,但它可以生成高活性化学中间体、羥基和氧自由基等,会回过头来破坏DNA的物质[来源请求]。因为它不会造成皮膚发红(红斑),因此他不能用SPF的数值来测试[来源请求]。沒有好的临床药物可以阻绝UVA的辐射,但防曬是对阻绝UVA和UVB是很重要的。一些科学家指责防曬霜不能濾除UVA,使防曬霜的使用者成为黑素瘤的高风险者[18]。
紫外线造成的伤害
紫外线是伤害性光线的一种,经由皮膚的吸收,会伤害DNA(组成染色体基因讯息传递的化学运送单位),当DNA遭受破坏、細胞会因而死亡或是发展成不能控制的癌細胞,这就是瘤形成的初期。紫外线已被确定与许多疾病的产生有关;例如:曬伤、白内障、皮膚癌、视觉损害与免疫系统的伤害。
紫外线杀菌消毒
紫外线杀菌消毒是使用短波长紫外线(UVC)通过破坏核酸并破坏其DNA来杀死或降低微生物活性,短波长紫外线(UVC)被认为是“杀菌紫外线”,自20世纪中叶以来,紫外线消毒已成为公认的做法。它主要用于医疗卫生和无菌工作场所。
相关条目
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参考资料
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- ↑ ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances.
- ↑ Ozone layer. [2007-09-23].
- ↑ Soda Lime Glass Transmission Curve.
- ↑ B270-Superwite Glass Transmission Curve.
- ↑ Selected Float Glass Transmission Curve.
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